JP2003142319A - 圧粉磁心、コイル部品、及びそれらを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小形化で省エネルギーで、かつ省資源と経済
性を高めたコイル部品を提供すること。 【解決手段】 閉磁路を形成する磁心１の少なくとも一
部にエアギャップ２を設けた。磁心に巻線３を施してコ
イル部品を得る。好ましくは、エアギャップの少なくと
も一部に、磁心よりも飽和磁束密度が小さい磁性体４を
外側にはみ出した状態に設ける。こうして得られたコイ
ル部品は、電力変換装置に用いるのに適している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチング電源
やインバータ機器などの電子機器等に供する磁心、及び
コイル部品、更にはこれらを用いて構成する電力変換装
置に係わり、特に小形高性能で低損失な磁心及びコイル
部品、並びにこれらを用いた電力変換器に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、閉磁路の磁心に巻線を施してなる
コイル部品において比較的高い直流電流をコイルに通電
する際のコイルのインダクタンスを確保する際は、通常
のケイ素鋼板やフェライトの磁心に対して、その磁路内
に適当なギャップ（空隙）を設けて実効透磁率を下げ比
較的高い印加磁界まで磁気飽和を回避する方法が採られ
てきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術においては、近年の電子機器の要求である低
電圧大電流を取り扱い、かつ小形低損失の電力変換器に
コイル部品を適用する際には、下記のような重大な欠点
がある。

【０００４】つまり、従来の比較的大きな電流を取り扱
う電力変換器に従来のコイル部品を適用する際は、磁心
には小型化の点からフェライト材よりも十分に飽和磁束
密度が高いセンダストなどの金属磁性材料粉末を主成分
として加圧した閉磁路の圧粉磁心に直接巻線を施して所
望の印加磁界での飽和を抑えて安定なインダクタンスを
得る方法や、同じくフェライト材よりも十分に飽和磁束
密度が高いケイ素鋼板のスタック磁心や鉄基アモルファ
スの巻鉄芯の磁路にわずかのエアギャップを設けて所望
の電流による印加磁界で磁気飽和を抑えて安定なインダ
クタンスを得る方法が採られてきた。

【０００５】これに対し、近年のバッテリーを軸とした
電子機器の設計トレンドによって電力変換器の低電圧大
電流化が進み小形低損失であることが最大の使命となっ
たが、従来技術の磁心を用いたコイル部品がその小形低
損失化の大きな障害となった。つまり、上述した従来の
技術のコイル部品に課せられる磁心の印加磁界は通常79
58A/m(100Oe)程度が上限であったが、上述した新たな低
電圧大電流を取り扱う電力変換器に要求される磁心の印
加磁界は巻線の抵抗による銅損制約とサイズの制約もあ
って、上記7958A/m(100Oe)の条件を超え、ものによって
は15916A/m(200Oe)、更には23874A/m(300Oe)を超えて十
分な実効透磁率を確保すべき状況になってきた。

【０００６】しかしながら、前述したケイ素鋼板や鉄基
アモルファスを用いた磁心の場合には、磁気飽和を回避
するためエアギャップを更に拡大する方策を採って高印
加磁界に対応することは出来るが、その際には著しい鉄
損の増大が生じ、小型化を大きく阻害するという欠点が
あった。加えて、上述した印加磁界の増大とエアギャッ
プの拡大に伴い、ギャップ部からの集中的な漏洩磁束が
周辺の回路の誤動作や、ＥＭＩ上の障害を引き起こし易
いという欠点があり工業的には不適切なコイル部品であ
った。

【０００７】また、圧粉磁心の場合には上記の大きい印
加磁界では磁気飽和にはまだ至らぬものの磁化が進行し
て実効透磁率が低下する領域となって、所望のインダク
タンスを得るには巻回数を増やすことで銅損が増加し、
低損失化を阻害する。磁心の大型化を採ればコイル部品
の小型化が実現できないという不都合があった。

【０００８】そこで、本発明の課題は、従来技術の問題
点を解決し、小形で省エネルギーであって、周辺回路の
誤動作やＥＭＩ上の障害を引き起こすことがなく、その
ためにかつ省資源と経済性を高めた磁心及びコイル部品
並びに電力変換装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、閉磁路
を形成する圧粉磁心の磁路の少なくとも一部にエアギャ
ップを設けたことを特徴とする圧粉磁心が得られる。

【００１０】前記エアギャップの少なくとも一部に付加
磁性体を有してもよい。

【００１１】前記エアギャップの磁路内と前記磁路の近
傍との少なくとも一部に付加磁性体を有してもよい。

【００１２】前記付加磁性体の飽和磁束密度は前記磁心
の飽和磁束密度よりも小さいものでもよい。

【００１３】また本発明によれば、上述した圧粉磁心に
巻線を施したことを特徴とするコイル部品が得られる。

【００１４】また本発明によれば、入力端と出力端との
間に少なくとも請求項５に記載したコイル部品とスイッ
チ素子とを具備し、前記スイッチ素子のオン期間に前記
入力端のエネルギーが少なくとも前記コイル部品に蓄積
エネルギーとして蓄えられ、前記スイッチ素子のオフ期
間に前記蓄積エネルギーが前記出力端に放出されること
を特徴とする電力変換装置が得られる。

【００１５】前記入力端及び前記出力端の各々は二つの
端を有し、前記入力端の一方の端は前記コイル部品とダ
イオードとの直列接続を介して前記出力端の一方の端に
接続されるとともに、前記コイル部品と前記ダイオード
との接続点は、スイッチ回路を介して前記入力端と前記
出力端のそれぞれ他方の端と接続されていてもよい。

【００１６】前記入力端及び前記出力端の各々は二つの
端を有し、前記入力端の一方の端はスイッチ素子と前記
コイル部品との直列接続を介し前記出力端の一方の端に
接続されるとともに、前記スイッチ素子と前記コイル部
品との接続点は、ダイオードを介して前記入力端と前記
出力端のそれぞれ他方の端と接続されていてもよい。

【００１７】また、前記圧粉磁心に装巻するコイルによ
って7958A/m(100Oe)磁界が印加されたときの実効透磁率
が少なくとも２０以上であることが望ましい。

【００１８】

【作用】本発明による圧粉磁心及びコイル部品によれ
ば、前述した従来の技術で課題となっていた7958A/m(10
0Oe)を大きく超える磁界における実効透磁率が、ケイ素
鋼板や鉄基アモルファスによる磁心を用いた従来技術に
よるコイル部品に比較して十分に高く得られるととも
に、ギャップを設けたことによる鉄損の著しい増加もな
く、従来技術と比較して低鉄損が可能となる。

【００１９】従って、本発明による圧粉磁心及びコイル
部品によれば高透磁率であってかつ低鉄損であるため磁
心の小型化も可能であり、また一方でたとえ同一の磁心
サイズであっても巻回数の低減が出来るとともに、より
抵抗の低い太径の巻線も可能となるため、銅損を著しく
低減することが可能であり、本発明のコイル部品を用い
る電力変換装置の小形、低損失化にも結びつく。

【００２０】また、本発明によるコイル部品に設けたギ
ャップに磁性体を挿入することにより、低磁界の領域で
は前記磁性体はまだ磁気飽和に達せず磁路全体の磁気抵
抗は低い状態を呈するため、実効透磁率を高く確保する
ことが可能であり、以降磁界が増すにつれて、前記磁性
体が磁気飽和状態を呈し、磁性体を装着していない構成
における特性挙動を取る。

【００２１】すなわち、本発明によるコイル部品は低電
流領域におけるインダクタンスを高めることが可能とな
り、電力変換装置に用いる場合のように、軽負荷領域で
の効率を少しでも高く確保したい用途、或いは軽負荷で
の間欠動作領域を狭くしたい用途での使用が可能とな
る。

【００２２】加えて、本発明によるコイル部品に設けた
ギャップに独特の構成で磁性体を配置することにより、
高磁界領域において圧粉磁心のギャップの磁路にかかる
部分の磁性体は飽和状態になるものの、その近傍に位置
する部分は未飽和状態として残り、ギャップからの漏洩
磁束を拘束する役割を果し、周辺回路の誤動作やＥＭＩ
上の障害を引き起こすことがない。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基づき詳細に説明する。

【００２４】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る
コイル部品の正面図である。図１のコイル部品は、閉磁
路を形成する圧粉成形されたリング状の磁心1を含んで
いる。磁心１はＳｉＦｅを主成分とするリング形状の圧
粉磁心であり、かつ磁路の一部を切り欠いたエアギャッ
プ２を備えている。磁心１の周囲にはコイル巻線３が装
巻されている。

【００２５】このコイル部品においてコイル巻線３に通
電すると磁心１に磁界が生じる。その磁界における磁心
１の実効透磁率特性は図２に示すとおり、前述したケイ
素鋼板や鉄基アモルファスによる磁心を用いた従来技術
によるコイル部品と比較して11937A/m(150Oe)以上の高
磁界領域において十分に高い値が得られる。また図３に
示すコアロス特性においても、圧粉磁心は従来技術によ
るケイ素鋼板や鉄基アモルファスによる磁心と比較して
損失の少ない特性値が得られる。

【００２６】尚、以上に述べたコイル部品において、磁
心１及びギャップ２は図４（ａ）又は（ｂ）に示したよ
うな形状であってもよく、それらによっても同様の効果
が得られる。

【００２７】図５は、本発明の第２の実施の形態に係る
コイル部品の正面図である。図５のコイル部品において
も、磁心１は圧粉磁心であってＳｉＦｅを主成分とする
リング形状のものである。磁心１には、磁路の一部にギ
ャップ２を備えるとともに、周囲にコイル巻線３が装巻
されている。ギャップ２には磁性体４を付加磁性体とし
て配置している。磁性体４は磁心１の外周側にはみ出し
た部分を有している。なお、磁性体４としては例えばフ
ェライト材が使用される。

【００２８】図５のコイル部品においてコイル巻線３に
通電すると、磁心１に磁界が生じる。その磁界における
磁心１の実効透磁率特性は図６に示すとおり、前述した
ケイ素鋼板や鉄基アモルファスによる従来技術の磁心に
ギャップを設けることによって生じる低磁界領域での実
効透磁率の低下、すなわち低電流領域におけるインダク
タンスの低下をすることなく、例えば電力変換器の軽負
荷時に好適な特性が得られる。

【００２９】図７を参照して、コイル部品の磁束につい
て説明する。図７（ａ）は図１に示したコイル部品とそ
の磁束を示し、図７（ｂ）は図５に示したコイル部品と
その磁束を示す。

【００３０】図７（ａ）においては、磁心１に単なるギ
ャップ２を形成した構造であり、コイル巻線３による磁
界５がギャップ２から漏洩する漏洩磁束６を拘束する特
別な手段を備えていない。

【００３１】一方、図７（ｂ）においては、磁性体４を
磁心１のギャップ２の磁路内のみならずその近傍にもか
かるように配置しているので、高磁界領域において磁路
内の第１の磁性体部分７が磁気飽和状態であっても、そ
の近傍に位置する第２の磁性体部分８は未飽和の状態で
あり、したがってギャップ２からの漏洩磁束６を拘束す
る効果が得られる。

【００３２】図８を参照して、コイル部品に対する磁性
体４の様々な配置形態と構造とについて説明する。

【００３３】図８（ａ）においては、磁性体４は磁心１
の内周側にはみ出した部分を有している。

【００３４】図８（ｂ）においては、磁性体４は磁心１
の内周側及び外周側の両方にはみ出した部分を有してい
る。

【００３５】図８（ｃ）においては、磁性体４は磁心１
の内周側及び外周側の両方にはみ出した部分を有し、さ
らに内周端及び外周端にぞれぞれ接線方向に延出した突
起を設けている。それらの突起は周方向に延出してもよ
い。

【００３６】図８（ｄ）においては、磁性体４は磁心１
の内周側及び外周側の両方と軸方向両側とにそれぞれは
み出した部分を有し、さらに内周端、外周端、及び軸方
向両端にぞれぞれ接線方向に延出した突起を設けてい
る。それらの突起は周方向に延出してもよい。

【００３７】上述した配置形態及び構造のいずれにおい
ても、ギャップ２からの漏洩磁束を拘束する点において
同様の効果が得られる。

【００３８】図９を参照して、電力変換装置の第１の例
を具体的に説明する。

【００３９】図９の電力変換装置は、コイル部品７２を
用いて入力電圧を所望の出力電圧まで高めた出力を得る
昇圧チョッパ回路である。即ち、本発明によるコイル部
品を直流入力源に対する昇圧電力変換装置に適用した例
である。コイル部品７２としては、図１、図４（ａ），
（ｂ）、及び図５に示したコイル部品が選択的に使用さ
れる。電力変換回路の入力端は二つの端７Ａ及び７Ｂを
有し、出力端は二つの端７Ｃおよび７Ｄを有している。
入力端の一方の端７Ａはコイル部品７２とダイード７４
との直列接続を介して出力端の一方の端７Ｃに接続され
る。コイル部品７２とダイオード７４との接続点は、ス
イッチ素子７３を介して入力端及び出力端の他方の端７
Ｂ及び７Ｄに接続されて地絡される。なお、７１は直流
源、７５はコンデンサ、７６は負荷である。

【００４０】これによれば、バッテリーからの入力を出
力側インバータモータ等の駆動回路に繋げる際、入力電
圧の変動等に拘わらず最適なインバータモータの駆動電
圧に安定化して供給出来、しかも昇圧の効果で駆動電流
も軽減出来るため、電力変換装置としてもこれを用いる
電子機器装置としても低電圧入力源における大電力処理
を小形で低損失に実現することが可能となる。

【００４１】図１０（ａ）を参照して、電力変換装置の
第２の例を具体的に説明する。

【００４２】図１０（ａ）の電力変換装置は、交流源８
７を全波整流ダイオード８９で整流平滑し、コイル部品
８２を用いてインバータモータ駆動回路等の負荷８６に
大電力を小形で低損失に供給できる。コイル部品８２と
しては、図１、図４（ａ），（ｂ）、及び図５に示した
コイル部品が選択的に使用される。電力変換回路の入力
端は二つの端８Ａ及び８Ｂを有し、出力端は二つの端８
Ｃおよび８Ｄを有している。入力端の一方の端８Ａはコ
イル部品８２とダイード８４との直列接続を介して出力
端の一方の端８Ｃに接続される。コイル部品８２とダイ
オード８４との接続点は、スイッチ素子８３を介して入
力端及び出力端の他方の端８Ｂ及び８Ｄに接続される。
なお、８５，８８はコンデンサである。

【００４３】図１０（ａ）の電力変換装置の入出力間の
電力変換効率は図１０（ｂ）に示すとおりであり、充分
な高効率特性が得られている。尚、軽負荷領域での効率
を少しでも高く確保したい用途、或いは軽負荷での間欠
動作領域を狭くしたい用途としては、特に前述したギャ
ップ部に磁性体を設けて低磁界域での実効透磁率を高め
た図５のコイル部品が好適であることがわかる。

【００４４】図１１を参照して、電力変換装置の第３の
例を具体的に説明する。

【００４５】図１１の電力変換装置は、コイル部品９２
を用いて入力電圧を所望の出力電圧まで低減した出力を
得る降昇圧チョッパ回路である。コイル部品９２として
は、図１、図４（ａ），（ｂ）、及び図５に示したコイ
ル部品が選択的に使用される。電力変換回路の入力端は
二つの端９Ａ及び９Ｂを有し、出力端は端９Ｃおよび９
Ｄを有している。入力端の一方の端９Ａと出力端の一方
の端９Ｃの間にスイッチ素子９３とコイル部品９２を直
列接続する。スイッチ素子９３とコイル部品９２との接
続点は、ダイオード９４を介して入力端及び出力端の他
方の端９Ｂ及び９Ｄと接続する。なお、９１は直流源、
９５はコンデンサ、９６は負荷である。

【００４６】これによれば、上述とは逆に高圧側バッテ
リー等からの入力を出力側インバータモータ等の駆動回
路に繋げる際、同様に入力電圧の変動等に拘わらず最適
な駆動電圧に安定化して供給出来できるため、電力変換
装置としてもこれを用いる電子機器装置としても低電圧
大電力処理を小形で低損失に実現することが可能とな
る。

【００４７】

【発明の効果】以上に述べたとおり、本発明によれば、
前述した従来技術の問題点を解決して、小形化で低損失
であって、周辺回路の誤動作やＥＭＩ上の障害を引き起
こすことがなく、そのために省資源と経済性に優れたコ
イル部品並びに電力変換装置を提供できるため、工業的
に益するところ極めて大なるものといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るコイル部品の
正面図である。

【図２】図１のコイル部品及び従来のコイル部品の実効
透磁率特性を示すグラフである。

【図３】図１のコイル部品及び従来のコイル部品のコア
ロス特性を示すグラフである。

【図４】図１のコイル部品の第１の変形例（ａ）と及び
第２の変形例（ｂ）を示すそれぞれ正面図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係るコイル部品の
正面図である。

【図６】図５のコイル部品及び従来のコイル部品の実効
透磁率特性を示すグラフである。

【図７】（ａ）は従来技術によるコイル部品の磁束を示
した図であり、（ｂ）は図５のコイル部品の磁束を示し
た図である。

【図８】（ａ）は本発明の第３の実施の形態に係るコイ
ル部品の正面図であり、（ｂ）は本発明の第４の実施の
形態に係るコイル部品の正面図及び平面図であり、
（ｃ）は本発明の第５の実施の形態に係るコイル部品の
正面図及び平面図であり、（ｄ）は本発明の第６の実施
の形態に係るコイル部品の正面図及び平面図である。

【図９】本発明のコイル部品を用いた電力変換装置の第
１の例の回路図である。

【図１０】（ａ）は本発明のコイル部品を用いた電力変
換装置の第２の例の回路図であり、（ｂ）は図１のコイ
ル部品を用いた場合と図５のコイル部品を用いた場合と
における（ａ）の電力変換装置の効率特性を示すグラフ
である。

【図１１】本発明のコイル部品を用いた電力変換装置の
第３の例の回路図である。

【符号の説明】

１ 磁心 ２ エアギャップ ３ コイル巻線 ４ 磁性体 ５ コイル巻線による磁界 ６ 漏洩磁束 ７ 第１の磁性体部分 ８ 第２の磁性体部分 ７１，９１ 直流源 ７２、８２，９２ コイル部品 ７３，８３，９３ スイッチ素子 ７４，８４，８９，９４ ダイオード ７５，８５，８８，９５ コンデンサ ７６，８６，９６ 電力変換器の負荷 ８７ 交流源 ７Ａ 入力端の一方の端 ７Ｂ 入力端の他方の端 ７Ｃ 出力端の一方の端 ７Ｄ 出力端の他方の端

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 閉磁路を形成する圧粉磁心の磁路の少な
   くとも一部にエアギャップを設けたことを特徴とする圧
   粉磁心。
2. 【請求項２】 前記エアギャップの少なくとも一部に付
   加磁性体を有する請求項１に記載の圧粉磁心。
3. 【請求項３】 前記エアギャップの磁路内と前記磁路の
   近傍との少なくとも一部に付加磁性体を有する請求項１
   に記載の圧粉磁心。
4. 【請求項４】 前記付加磁性体の飽和磁束密度は前記磁
   心の飽和磁束密度よりも小さい請求項２又は３に記載の
   圧粉磁心。
5. 【請求項５】 請求項１から４のうちのいずれか一つに
   記載の圧粉磁心に巻線を施したことを特徴とするコイル
   部品。
6. 【請求項６】 入力端と出力端との間に少なくとも請求
   項５に記載したコイル部品とスイッチ素子とを具備し、
   前記スイッチ素子のオン期間に前記入力端のエネルギー
   が少なくとも前記コイル部品に蓄積エネルギーとして蓄
   えられ、前記スイッチ素子のオフ期間に前記蓄積エネル
   ギーが前記出力端に放出されることを特徴とする電力変
   換装置。
7. 【請求項７】 前記入力端及び前記出力端の各々は二つ
   の端を有し、前記入力端の一方の端は前記コイル部品と
   ダイオードとの直列接続を介して前記出力端の一方の端
   に接続されるとともに、前記コイル部品と前記ダイオー
   ドとの接続点は、スイッチ回路を介して前記入力端と前
   記出力端のそれぞれ他方の端と接続されている請求項６
   に記載の電力変換装置。
8. 【請求項８】 前記入力端及び前記出力端の各々は二つ
   の端を有し、前記入力端の一方の端はスイッチ素子と前
   記コイル部品との直列接続を介し前記出力端の一方の端
   に接続されるとともに、前記スイッチ素子と前記コイル
   部品との接続点は、ダイオードを介して前記入力端と前
   記出力端のそれぞれ他方の端と接続されている請求項６
   に記載の電力変換装置。